CN113074099A - 直线压缩机 - Google Patents

Abstract

一种直线压缩机。其包括外壳、气缸、活塞、直线电机、定子弹簧板、动子骨架、减震动子、弹簧组连接件、第一弹簧组、第二弹簧组、第三弹簧组及第四弹簧组；第一弹簧组设置于定子弹簧板与动子骨架之间，第二弹簧组设置于动子骨架与弹簧组连接件之间，第三弹簧组设置于弹簧组连接件与减震动子之间；第四弹簧组设置于减震动子与外壳之间。本发明效果：1、避免了因弹簧不稳定问题而导致的直线压缩机故障，提高了直线压缩机的可靠性。2、减少了弹簧种类，使得直线压缩机的设计更加简单。3、舍弃了直线压缩机外壳与主泵体分离的结构，使得直线压缩机结构更加紧凑，易于小型化。更进一步，降低了直线压缩机成本，提高了直线压缩机的竞争力。

Description

直线压缩机

技术领域

本发明属于往复式压缩机结构技术领域，特别是涉及一种带有减震结构的直线压缩机。

背景技术

一般来说，压缩机是一种使用电机提供的动力从而将低压气体通过压缩提升为高压气体的机械装置，广泛应用于冰箱和空调等家用电器或诸多行业中。其中往复式压缩机，即在活塞和气缸之间形成用于吸入或吐出工作气体的压缩空间，利用活塞在气缸内部进行直线往复运动来对制冷剂进行压缩。传统的往复式压缩机是通过旋转电机驱动，利用曲轴连杆等运动转换装置将电机转子与活塞相连接，从而将电机的旋转运动转化为直线运动，来实现上述目的。

目前，在上述往复式压缩机中，一种采用直线电机驱动，将直线电机动子与活塞直接相连接的压缩机结构形式正得到越来越广泛的关注。由于其省掉了曲轴连杆等运动转换装置，不仅使得压缩机的结构变得更加简单，而且减少了因运动转换装置而产生的机械损失，提高了压缩机效率，因此已成为小型制冷装置用高效压缩机的一个主要发展方向。由于其采用直线电机直接驱动活塞在气缸内作直线往复运动，因此这种结构形式的往复式压缩机也被称作直线压缩机或线性压缩机(Linear compressor)。

另外，所述直线压缩机上通常设有共振弹簧，共振弹簧与直线压缩机其他零部件一起构成谐振系统。且当直线压缩机以系统的共振频率运行时，直线压缩机的机械效率最高。现有的直线压缩机主要使用螺旋弹簧或者涡旋板弹簧作为共振弹簧。由于涡旋板弹簧的材料利用率低，且制造成本高，因此目前量产的直线压缩机越来越多地选择性价比更高的螺旋弹簧作为共振弹簧。但由于螺旋弹簧不能像涡旋板弹簧一样可以用螺钉等方式与其连接部位完全固定，因此在直线压缩机装配时，螺旋弹簧两端通常利用在其连接部位上形成的圆形垫片进行固定，以防止螺旋弹簧在工作过程发生侧向移动。同时螺旋弹簧在装配时处于预压缩状态，且螺旋弹簧预压缩量大于压缩机动子的振动振幅。这样可以保证螺旋弹簧在直线压缩机工作时，始终处于压缩状态，因此可有效阻止螺旋弹簧出现脱落。

现有技术的直线压缩机大多采用如图1所示的结构，其上外壳4内设置主泵体12，且两者之间通过隔震弹簧14、16相互分离。主泵体12上的动子弹簧板30内外两端分别设有螺旋弹簧32、34。这种结构在减震降噪等方面有着较好的效果，但同时也存在一些明显问题，如结构不紧凑，空间浪费大等问题，进而导致了直线压缩机结构复杂且成本增加。鉴于上述问题，韩国专利(专利号：10-2006-0042683)提供了一种新型结构的直线压缩机，如图2所示，该直线压缩机是在传统直线压缩机的主泵体内添加一个质量体和辅助弹簧，这样由原系统的动子及共振弹簧与新添加的质量体及辅助弹簧整体构成了一个两自由度振动系统，这样的振动系统存在两个共振频率：第一共振频率与第二共振频率，且第二共振频率高于第一共振频率。当直线压缩机以第一共振频率运行时，动子与质量体运动同向；当直线压缩机以第二共振频率运行时，动子与质量体正好作相对运动，此时两者的振动刚好相互抵消，从而使得传递到主泵体上的振动减小，达到了为主泵体减振的目的。由于主泵体的振动减小了，主泵体可以与外壳形成一体化设计，从而使得直线压缩机的结构更加紧凑，空间利用率更高，易于小型化，同时可使成本得到进一步的降低。

但上述结构存在着以下问题。由于直线压缩机在运行时，动子与质量体作相对运动，也即意味着中间弹簧的工作行程正好是两边弹簧的工作行程之和。同时为了确保中间弹簧工作时不脱落，其装配时的压缩量应该至少是两边弹簧的压缩量之和。为达到此目的，中间弹簧的弹性系数的倒数应等于两边弹簧弹性系数的倒数和。假设两边弹簧的弹性系数相同，均为k，则中间弹簧的弹性系数应该为1/2k。由以上说明可知，为保证如图2所示的直线压缩机正常工作，中间弹簧所要求的弹性系数应为两边弹簧的1/2左右，同时中间弹簧的工作行程是两边弹簧的两倍左右。也即意味着相对于两边弹簧，中间弹簧应为细长的形状。因此可以看出，一方面，图2所示的直线压缩机，至少需要两种不同的螺旋弹簧作为共振弹簧；另一方面，像中间弹簧这样的细长形状螺旋弹簧设计非常困难，且在加工过程中，难以确保螺旋弹簧的轴向直线度，因此弹簧在压缩时，其中间部位容易发生侧向弯曲。如果使用这样的弹簧作为直线压缩机的共振弹簧，直线压缩机工作时非常容易发生故障，因此可靠性较差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种直线压缩机。

为了达到上述目的，本发明提供的直线压缩机包括外壳；

固定于外壳内部的气缸；

设置于气缸内并能够进行直线往复运动的活塞；

设置于外壳内部的直线电机，所述直线电机包括电机定子、线圈和电机动子，所述电机定子固定于外壳内；

设置于电机定子上的定子弹簧板；

设置于外壳内，用于连接活塞与电机动子的动子骨架，并且动子骨架与活塞和电机动子共同构成压缩机动子；

设置于外壳内的减震动子；

设置于外壳内的弹簧组连接件；

设置于外壳内的第一弹簧组、第二弹簧组、第三弹簧组及第四弹簧组，其位置关系依次为，第一弹簧组设置于定子弹簧板与动子骨架之间，第二弹簧组设置于动子骨架与弹簧组连接件之间，第三弹簧组设置于弹簧组连接件与减震动子之间；第四弹簧组设置于减震动子与外壳之间。

所述的第一弹簧组、第二弹簧组、第三弹簧组及第四弹簧组均由多个沿外壳的圆周方向对称分布的螺旋弹簧组成。

所述的第一弹簧组、第二弹簧组、第三弹簧组及第四弹簧组采用相同类型的螺旋弹簧组成。

所述的弹簧组连接件采用包括铝合金在内的密度小质量轻的材料制成。

所述的第一弹簧组、第二弹簧组、第三弹簧组及第四弹簧组中螺旋弹簧的有效圈数为4到7圈。

本发明提供的直线压缩机具有如下有益效果：

1、避免了因弹簧不稳定问题而导致的直线压缩机故障，提高了直线压缩机的可靠性。

2、减少了弹簧种类，使得直线压缩机的设计更加简单。

3、舍弃了直线压缩机外壳与主泵体分离的结构，使得直线压缩机结构更加紧凑，易于小型化。更进一步，降低了直线压缩机成本，提高了直线压缩机的竞争力。

附图说明

图1为一种传统现有技术的直线压缩机结构剖视图。

图2为一种新型的直线压缩机结构剖视图。

图3为本发明提供的直线压缩机结构剖视图。

图4为本发明提供的直线压缩机上位于中间部位的弹簧结构细节图。

图5为本发明提供的直线压缩机简化数学模型图。

图6为本发明提供的直线压缩机振动模式简易图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的线性压缩机进行详细说明。

如图3所示，本发明提供的直线压缩机包括下部外壳01、上部外壳02，并且下部外壳01的上端与上部外壳02的下端通过焊接等方式连接在一起而构成外壳。同时上部外壳02上设有吸气管04，以便于低压气体的流入，下部外壳01上设有排气管03，以便于高压气体的流出；直线电机设置于下部外壳01的内部，包括电机定子31、线圈32、第一永磁铁33a和第二永磁铁33b；其中第一永磁铁33a和第二永磁铁33b一起构成电机动子，且电机定子31呈圆环状，内部设有环形空间且上端中部向下凹陷形成一个与环形空间相连通的环形间隙，电机定子31的外圆周面固定在下部外壳01的内圆周面上；线圈32安装在电机定子31的环形空间内；电机动子以能够上下移动的方式设置在电机定子31的环形间隙中；气缸21的中部外圆周面固定在电机定子31的内圆周面上，从而能够确保直线电机与气缸21的同轴性；挡板23为环形，套在气缸21的下侧外部，上下端分别固定在电机定子31的下端以及下部外壳01之间；弹性元件22设置于气缸21的下端面与下部外壳01的内部端面之间，以便于用均匀地弹性力固定住气缸21，以防止气缸21由于安装不当而产生变形。气缸21的下端与下部外壳01底面之间从上至下依次设有排气阀24和排气弹簧25；活塞20设置在气缸21的内部，顶部设有吸气口10，吸气口10上设有吸气阀11；定子弹簧板12为环形，固定在电机定子31的上端；动子骨架34也为环形，设置在上部外壳02的内下部，内侧部位同时固定在活塞20以及电机动子的上端，由活塞20、动子骨架34和电机动子构成压缩机动子，因此动子骨架34、活塞20能够随电机动子一起沿上下方向进行直线往复运动；设置在上部外壳02内上部的减震动子56也为环状；设置在上部外壳02内部，且位于动子骨架34与减震动子56之间的弹簧组连接件45同样为环状；所述的弹簧组连接件45采用包括铝合金在内的密度小质量轻的材料制成。此外，定子弹簧板12、动子骨架34、减震动子56以及弹簧组连接件45上都设有弹簧垫片，用于固定螺旋弹簧的两端，其固定方式为螺旋弹簧的端部内孔套在所述弹簧垫片的外圆周面上。第一弹簧组13设在定子弹簧板12和动子骨架34之间；第二弹簧组14设在动子骨架34与弹簧组连接件45之间；第三弹簧组设在弹簧组连接件45与减震动子56之间；第四弹簧组16设在减震动子40和上部外壳02的内顶面之间。

如图4所示，所述的第一弹簧组13、第二弹簧组14、第三弹簧组15及第四弹簧组16均由多个沿外壳的圆周方向对称分布且类型相同的螺旋弹簧组成。且在直线压缩机装配时，以上所述的所有弹簧组都处于预压缩的状态，其压缩量至少应大于压缩机动子工作的运动振幅。

所述的第一弹簧组13、第二弹簧组14、第三弹簧组15及第四弹簧组16中螺旋弹簧的有效圈数为4到7圈。

现将本发明提供的直线压缩机的工作原理阐述如下：

首先本发明的直线压缩机可以简化为如图5所示的数学模型结构。其中，定子包含了除压缩机动子、弹簧组连接件45、减震动子56以及第一弹簧组13、第二弹簧组14、第三弹簧组15、第四弹簧组16以外的几乎所有零部件，其质量为M；压缩机动子，其质量为m1；弹簧组连接件45，其质量为m2；减震动子56，其质量为m3；第一弹簧组13，其轴向弹簧系数为K1；第二弹簧组14，其轴向弹簧系数为K2；第三弹簧组15，其轴向弹簧系数为K3；第四弹簧组16，其轴向弹簧系数为K4；由以上说明可知，在不考虑定子的情况，由于存在三个质量，因此系统在轴向方向上为三自由度系统。三自由度系统存在三个共振频率。通过建立动力学方程，输入适当的数值，分析计算等手段，当给予压缩机动子提供系统第二共振频率的周期力时，最终可以得到如图6所示的振动特性。如图6所示，横坐标为时间(s)，纵坐标为位移(mm)；其中SpringPlate-1为弹簧组连接件45，Balancer-1为减震动子56，Body-1为定子，mover-1为压缩机动子。从图6可以看出，弹簧组连接件45和定子的振动振幅极小，定子振幅极小也即意味着直线压缩机外壳振动极小。而压缩机动子与减震动子56的振幅则较大，压缩机动子振幅大也即意味着活塞行程大。同时压缩机动子与减震动子56的运动相位相反，也即两者的振动相互抵消，这也是定子振动极小的内在原因。

下面结合本发明提供的直线压缩机具体结构详细说明其工作过程：

当线圈32通入与系统第二共振频率相同的周期性交变电流时，在电机定子31内部的环形间隙中将产生相同频率的周期性交变磁场，此时位于环形间隙中的第一永磁铁33a和第二永磁铁33b在上述交变磁场的作用下将在环形间隙内进行直线往复运动，并通过与其连接的动子骨架34带动活塞20以与所提供电流相同的频率在气缸21内进行直线往复运动。

当活塞20向上运动时，由活塞20、气缸21及排气阀24构成的压缩腔空间体积增大，内部压力减小，固定于活塞20顶部的吸气阀11受到上下压力差而打开。此时，通过吸气管04进入到上部外壳02内部的低压气体将通过活塞20上的吸气口10和打开的吸气阀11进入压缩腔内部。当活塞20运行到上部振幅最大值时，由于吸气阀11上下压力相同，因此吸气阀11关闭，此时活塞20开始向下运动而对压缩腔内的气体进行压缩。当压缩腔的压力超过排气压力及排气弹簧25的预压缩力时，排气阀24打开，此时经过活塞20压缩的高压气体将通过排气阀24及排气管03向外排出。当活塞20运行到下部振幅最大值时，排气阀24关闭，同时活塞22开始向上运动，从而开始一个新的低压气体压缩、高压排气的循环，以此往复。当活塞20进行直线往复运动的同时，动子骨架34也一起进行直线往复运动，而与之连接的第一弹簧组13、第二弹簧组14在与活塞20运动相同的方向上(轴向方向)往复的进行压缩、拉伸过程，只是当第一弹簧组13压缩时，第二弹簧组14拉伸，反之亦然。同时由于系统的动力学特性，减震动子56也在进行直线往复运动，只不过其与动子骨架34的运动相位刚好相反。与之连接的第三弹簧组15、第四弹簧组16也在往复地进行压缩、拉伸过程，当第四弹簧组16压缩时，第三弹簧组15拉伸，反之亦然。

Claims (5)

1.一种直线压缩机，其特征在于：所述的直线压缩机包括外壳；

固定于外壳内部的气缸；

设置于气缸内并能够进行直线往复运动的活塞；

设置于外壳内部的直线电机，所述直线电机包括电机定子、线圈和电机动子，所述电机定子固定于外壳内；

设置于电机定子上的定子弹簧板；

设置于外壳内，用于连接活塞与电机动子的动子骨架，并且动子骨架与活塞和电机动子共同构成压缩机动子；

设置于外壳内的减震动子；

设置于外壳内的弹簧组连接件；

设置于外壳内的第一弹簧组、第二弹簧组、第三弹簧组及第四弹簧组，其位置关系依次为，第一弹簧组设置于定子弹簧板与动子骨架之间，第二弹簧组设置于动子骨架与弹簧组连接件之间，第三弹簧组设置于弹簧组连接件与减震动子之间；第四弹簧组设置于减震动子与外壳之间。

2.根据权利要求1所述的直线压缩机，其特征在于：所述的第一弹簧组、第二弹簧组、第三弹簧组及第四弹簧组均由多个沿外壳的圆周方向对称分布的螺旋弹簧组成。

3.根据权利要求2所述的直线压缩机，其特征在于：所述的第一弹簧组、第二弹簧组、第三弹簧组及第四弹簧组采用相同类型的螺旋弹簧组成。

4.根据权利要求1所述的直线压缩机，其特征在于：所述的弹簧组连接件采用包括铝合金在内的密度小质量轻的材料制成。

5.根据权利要求1所述的直线压缩机，其特征在于：所述的第一弹簧组、第二弹簧组、第三弹簧组及第四弹簧组中螺旋弹簧的有效圈数为4到7圈。

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